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2024-11-17 05:57:00
原子スケールの欠陥を持つ特殊な種類のダイヤモンドに緑色のレーザーを照射すると、赤色の蛍光を発することがあります。このプロセスは、緑色レーザー ポインターの光が当たった量子ダイヤモンド サンプルの写真に示されており、サンプルの半分に赤色光フィルターが追加され、赤色の蛍光が現れています。クレジット: Michael Livingston / PPPL コミュニケーション部門
現在進行中の研究では、成長条件、量子特性の保護技術、革新的な表面処理に焦点を当て、電子用途向けのラボグロウン ダイヤモンドの生産を強化しています。
科学者たちは、すすなどの他の形態の炭素を最小限に抑えながらラボ グロウン ダイヤモンドを製造する革新的な方法を模索しています。ただし、これらのダイヤモンドは宝飾品として使用されることを目的としたものではありません。これらは、将来のコンピューター、光学機器、センサーに必要な種類のものです。
米国エネルギー省（DOE）のプリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）とプリンストン大学の研究者らによる最近の研究では、現在使用されている温度よりも低い温度でダイヤモンドを確実に成長させる方法が調査されました。ダイヤモンドは、半導体産業にとって魅力的な特性を備えています。独特の結晶格子構造により、高電圧に耐えることができ、熱の放散にも非常に優れています。
「この研究は、このハイテク分野で米国の継続的な競争上の優位性を確保するために不可欠であることが判明する材料とプロセスに関する重要な研究を提供することにより、マイクロエレクトロニクスを進歩させるためのPPPLの広範な取り組みの一環です」とPPPL主席研究物理学者イーゴリ・カガノビッチ氏は述べた、論文の共著者。
通常、実験室でダイヤモンドを成長させるには、コンピューター チップが処理できる以上の高熱が必要になります。そのため、科学者たちはダイヤモンドの品質を犠牲にすることなく熱を低減する方法を長い間模索してきました。
「シリコンベースの製造にダイヤモンドを導入したいのであれば、より低温でダイヤモンドを成長させる方法を見つける必要がある」と、この研究の筆頭著者であるPPPLの計算研究員であるユーリ・バルスコフ氏は述べた。 「これはシリコンマイクロエレクトロニクス産業に扉を開く可能性があります。」
PPPL の量子ダイヤモンド研究所にある量子ダイヤモンド リアクターの 1 つの拡大図。デバイス内部の輝きは、化学蒸着として知られるプロセスを使用して量子ダイヤモンドを製造するために使用されるプラズマから生じます。クレジット: Michael Livingston / PPPL コミュニケーション部門
臨界温度を見つける
プラズマ化学蒸着として知られるダイヤモンドの製造プロセスに関する過去の実験では、アセチレンがダイヤモンドの成長に寄与する可能性があることが示されました。しかし、アセチレンはすすの成長に寄与することも知られており、すすはダイヤモンドの上で成長し、光学部品、センサー、チップの性能を阻害する可能性があります。アセチレンがダイヤモンドになるのか、すすになるのかを決定する要因は不明でした。
「今、私たちは答えを持っています」とバルスコフ氏は語った。 「水から氷と同じように、ある相から別の相への転移には臨界温度が存在します。この臨界温度を超えると、アセチレンは主にダイヤモンドの成長に寄与します。この臨界温度以下では、主に煤の成長に寄与します。」
「水素原子はダイヤモンドの成長を直接促進するわけではありませんが、水素の解離または分解は、メタンをアセチレンに変換し、原子状の水素をダイヤモンド成長表面に輸送するために重要です。これらは両方ともダイヤモンドの成長にとって重要です」と、論文の著者であるプリンストン大学研究員アレクサンダー・クラブリー氏は述べています。表面近くに水素が多くなると、より低い温度でもより多くのダイヤモンドが形成されます。
量子欠陥のあるダイヤモンドの塊を囲む黒いグラファイト。クレジット: Michael Livingston / PPPL コミュニケーション部門
量子ダイヤモンドの保護
低温で高品質のダイヤモンドを成長させるプロセスを完成させることは、エレクトロニクス用ダイヤモンドを確実に製造するためのパズルの 1 ピースにすぎません。一部の用途では、一部の炭素原子が除去され、隣接する原子が窒素に置き換えられた、より複雑な形状のダイヤモンドが必要になります。これにより、科学者が窒素空孔センターまたは NV センターと呼ぶものが形成されます。
この量子ダイヤモンドのモデルでは、炭素原子が黒で表示されています。紫色のボールは窒素を表し、青色のボールは格子内の空のスポットを表します。窒素と空の空間が一緒になって、量子アプリケーションで使用される窒素空孔 (NV) センターを作成します。クレジット: Michael Livingston / PPPL コミュニケーション部門
研究者らがこうした量子の動作を利用したいと考えている方法の 1 つは、量子ビットと呼ばれる特別なビットを作成することです。 「量子ビットの利点は、通常のビットよりもはるかに多くの情報を保持できることです」とステイシー氏は言います。 「これは、彼らが環境についてさらに多くの情報を私たちに提供できることを意味し、例えばセンサーとして非常に価値のあるものになります。」
水素原子の均一な層を追加する
ダイヤモンド表面に水素を付着させることは、マイクロエレクトロニクスと量子センサーの両方に影響を及ぼします。水素原子はダイヤモンド表面と相互作用して電気を伝導させることができ、同時に他のより複雑な分子を付着させる前の出発点として必要となります。課題は、下にあるものを変えることなく、量子ダイヤモンドの表面に均一に分布した水素原子の単層を作成することです。
「人々は非常に長い間、ダイヤモンドの表面を制御しようとしてきました」と、プリンストン大学の電気およびコンピュータ工学の准教授であり、PPPLの准教授であり、論文の共著者でもあるナタリー・デ・レオン氏は言う。 「ダイヤモンドは一種の奇妙な固体であるため、これは興味深い基礎科学の質問です。どこにでもまったく同じ素材がありますが、その最表面では、何らかの方法で他の何かと結合する必要があります。しかしダイヤモンドは非常に不活性なので、物と反応したくないのです。格子がしっかりしているので、物が入りにくいです。また、世界で最も硬い素材なので、さまざまな方法で研磨したり準備したりするのは非常に困難です。」
この研究では、特定の量子アプリケーションに理想的な水素原子の単一層をダイヤモンドの表面に追加する、より信頼性が高く、損傷の少ない技術を探求しています。これは、量子コンピューティングとセンシングのためのダイヤモンド表面の準備に関する、同研究所の広範な研究分野の一部です。 PPPL 量子ダイヤモンド研究所を開設 2024 年 3 月に設立され、当研究所はそのような研究にとって理想的なパートナーとなります。
ダイヤモンド内の原子の結合方法により、この材料は、量子コンピューティング、安全な通信、温度と磁場の高精度測定などの量子アプリケーションに適しています。
「プラズマを使用してダイヤモンドの表面の化学的性質を正確に制御する必要がありますが、プラズマと表面の相互作用はあまりよく理解されていません」と、2番目の研究にも参加したバルスコフ氏は述べた。 「人々は通常、試行錯誤の方法を使用します。そこで、全体像をもう少し明確にするために、表面のプロセスの一部に光を当てようとしているのです。」
通常、この水素層は、ダイヤモンドを高熱下で水素プラズマにさらすことによって追加されます。しかし、標準的なコンピューター チップのシリコンと同様に、NV センターはこの環境に対応できません。
クォンタムダイヤモンドのレシピブックを作成する
研究チームは、NV中心をそのままに水素化量子ダイヤモンドを製造するためのより良い方法を見つけようとしました。 「私たちはレシピ本を執筆し、さまざまな用途でこれをより適切に行う方法を理解するために、ダイヤモンド表面を適切に水素化するさまざまな方法を特徴づけています」と論文の筆頭著者であり、米国大学院大学の研究者であるダニエル・マクロスキー氏は述べた。メルボルン大学で物理学を学ぶ。
国際研究チームは、従来のアプローチと次の 2 つの代替水素化方法を調査しました。
- フォーミングガスアニール。(水素だけで作られたプラズマではなく) 水素分子と窒素ガスの混合物を使用します。
- コールド プラズマ終端。水素プラズマを使用しますが、プラズマによるダイヤモンドの直接加熱を避けます。
どちらの代替技術でも、電気を通すことができる水素化ダイヤモンドが生成されましたが、重要な違いとトレードオフがあります。具体的には、チームは、フォーミングガスアニーリングで作成される水素層の品質が、使用される温度とガス混合物の純度に大きく依存することを発見しました。実験中に酸素が存在してはなりませんが、一部の酸素が漏れ込む可能性があり、その比較的少量でも大きな違いが生じました。
「ダイヤモンドから酸素を取り除く必要があります」とマクロスキー氏は説明し、それには900℃を超える温度が必要でした。マクロスキー氏は、反応チャンバーに入る酸素を減らし、除去する方法の開発も探究する必要がある重要な研究領域であると述べ、それを機能させるためには標準プロトコルをはるかに超えて行う必要があると付け加えた。
コールドプラズマ終端法では、NV 中心に損傷を与えることなく、量子ダイヤモンド上に水素層も作成されました。ただし、そのトレードオフとして、低温プラズマ終端で作成された水素層の品質は、従来の加熱アプローチよりも低かったです。
PPPL のダイヤモンド反応炉を覗いてみました。ピンク色の輝きは、化学蒸着プロセスで使用されるプラズマです。クレジット: Michael Livingston / PPPL コミュニケーション部門
NVセンターへの被害の評価
水素化法のNV中心への影響を調査するために、研究チームはフォトルミネッセンス分光法と呼ばれる技術を使用した。 「これは、緑色の光で励起して蛍光を発させることで、NV中心がたくさんあるダイヤモンドのサンプルをのぞき見る方法です」とステイシー氏は説明した。 2 つの新しい水素化方法はいずれも、プロセスを繰り返した場合でも蛍光に影響を与えませんでした。しかし、従来の加熱プラズマ処理では、NV 中心蛍光のほぼ半分が不可逆的に失われます。
「これは、将来のアプリケーションでバランスを取る必要がある表面品質とNV特性の間のトレードオフを浮き彫りにしています。たとえば、生体分子センシングプロジェクトでは、NVを表面近くに保存することが極めて重要です」とマクロスキー氏は述べた。
理想的なNV中心を備えた高品質の水素化ダイヤモンド表面を確実に製造するための新しい方法を完成させるには、さらなる研究が必要です。 PPPL とその協力者が模索すべき道は他にもたくさんあります。一部のアプリケーションでは水素原子の均一なコーティングが最終目標となる場合がありますが、他のアプリケーションでは、他の要素を含むカスタム表面を作成することが多くの最初のステップにすぎない場合があります。
参考文献:
「ダイヤモンドのカラーセンターを保存する水素終端の方法」ダニエル・J・マクロスキー、ダニエル・ロバーツ、ライラ・V・H・ロジャース、ユーリ・バルスコフ、イゴール・D・カガノビッチ、デヴィッド・A・シンプソン、ナタリー・P・デ・レオン、アラステア・ステイシー、ニコライ・ドンチュク著、 2024 年 7 月 11 日 先端材料インターフェース。
DOI: 10.1002/admi.202400242
最初の研究「表面反応の量子化学モデルとダイヤモンド成長の速度論モデル: 低温 CVD における CH3 ラジカルと C2H2 分子の影響」は、「マイクロエレクトロニクス共同設計」研究 DOE 国立研究所プログラムの下で DOE によって支援されました。プリンストン大学の Adroit クラスターと Stellar クラスターのコンピューティング リソースを使用しました。 2 番目の研究「ダイヤモンドの水素終端を維持するカラーセンターの方法」について、著者らは、助成金 DP200103712、CE170100012、および FL130100119 を通じたオーストラリア研究評議会 (ARC) からの支援に感謝しています。メルボルン大学の概念実証助成金と量子バイオテクノロジーにおける ARC センター オブ エクセレンス (プロジェクト番号 CE230100021) からもサポートが提供されました。米国国防科学工学大学院フェローシップも追加の支援を提供しました。プリンストンにおけるその場アニーリングと分光研究は、主にDOEの科学局と基礎エネルギー科学局によって賞番号DESC0018978で支援され、機器の開発は米国科学財団のCAREERプログラム助成番号DMR1752047によって支援されました。この資料は、DOE の科学局、核融合エネルギー科学局、および基礎エネルギー科学局によって賞番号 LAB 21-2491 で支援された研究に基づいています。
#新しい研究が低温ダイヤモンド成長の秘密を解明